引力波|前所未见的新黑洞！引力波天文学又创奇迹
2019年5月21日 ， 激光干涉仪引力波天文台（LIGO）和室女座引力波天文台（Virgo）同时探测到一个令人震惊的引力波信号 ， 它不仅是迄今为止规模最大的引力波 ， 也刷新了引力波最远距离的记录 。 更重要的是 ， 该信号向我们透露了一类前所未见的黑洞！
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双黑洞并合艺术画（来源：LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC)）
编号为GW190521的引力波事件由位于美国的升级版LIGO和位于意大利的升级版Virgo共三个台站同时测得 ， 信噪比达到14.7 ， 换算成误警率（出错概率）的话为4900年一次 。 如果使用双星旋近模型来拟合 ， 那么产生这次引力波的很有可能是两个较大质量的恒星级黑洞 ， 质量分别为太阳的85倍（置信区间71~106）和66倍（置信区间48~83） ， 而并合后的黑洞质量约为太阳的142倍（置信区间126~170） ， 释放出的引力波能量相当于8倍太阳质量 。
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GW190521引力波事件可能产生了中等质量黑洞 。 图中紫色表示通过电磁波发现的黑洞 ， 蓝色表示通过引力波发现的黑洞 ， 黄色表示通过电磁波发现的中子星 ， 橙色表示通过引力波发现的中子星 。 左侧数轴表示质量 。 （来源：LIGO-Virgo/Northwestern U./Frank Elavsky & Aaron Geller）
黑洞的质量有着天壤之别 ， 从小到大可以分为微型黑洞（通常是指宇宙大爆炸后产生的原初黑洞）、恒星级黑洞、中等质量黑洞、超大质量黑洞 。 然而 ， 目前实际观测到的只有两类 ， 要么是恒星级黑洞 ， 要么是超大质量黑洞 。 顾名思义 ， 恒星级黑洞的质量与恒星相当 ， 只有太阳质量的几倍到几十倍；而所谓超大质量黑洞被认为是至少比太阳重几千倍 ， 最高可达数十亿倍 。 超大质量黑洞位于星系的核心（如银河系中心黑洞质量约为420万太阳质量） ， 上千亿颗恒星的运动由它们所主宰 。 你有没有发现 ， 在“几十倍”与“几千倍”之间 ， “几百倍”太阳质量的黑洞却是个断档——介于“恒星级黑洞”与“超大质量黑洞”之间的“中等质量黑洞”去哪儿了呢？这是天文学中一个令人费解的谜团 。 如果GW190521引力波事件的发生过程确如模型描述的那样 ， 生成了一个142倍太阳质量的黑洞 ， 那么它将是人类有史以来首次记录到一个中等质量黑洞的诞生！
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LIGO与Virgo联合探测到的引力波事件 。 GW190521来源于两次恒星级黑洞的并合 ， 它们的产物是一个质量约为142倍太阳质量的黑洞 ， 这是人类首次捕捉到中等质量黑洞 。 （来源：LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC)）
【引力波|前所未见的新黑洞！引力波天文学又创奇迹】奇怪的事情还不止于此 。 理论认为 ， 恒星级黑洞在大质量恒星晚年坍缩与爆炸过程中形成 。 不过理论也指出 ， 不同级别大质量恒星的最终结局略有不同 ， 但有个特殊现象——要么不产生黑洞 ， 如果产生黑洞 ， 质量要么小于65倍太阳质量 ， 要么大于130倍太阳质量 。 这一质量空白的现象叫做“对不稳定性质量间隙”（pair instability mass gap） 。 具体怎么回事呢？【注意前方高能 ， 想了解的可阅读下面这段 ， 不想了解的记住结论后直接跳过下一段 。 】主要原因是质量十分巨大的恒星存在对不稳定性（pair instability） 。
如果恒星质量不超过太阳的100倍 ， 它们会以普通的超新星终了此生（根据具体机制上的差异也可分成好几种） 。 如果质量达到100~130倍太阳质量 ， 恒星压力和温度会触发所谓脉冲收缩 ， 加速热核反应进行 ， 同时产生少量正负电子对 ， 这就是不稳定对 。 这个过程很神奇 ， 与正反物质湮灭是相反的——当两个高能光子发生碰撞 ， 能量转化为粒子 ， 即一个电子和一个正电子 。 这个级别的恒星中 ， 不稳定对的数量不足以摧毁恒星 ， 但会迫使恒星向外抛出部分质量 ， 直到核心质量小到能够产生正常的II型超新星 。 上述两个级别的大质量恒星在超新星爆炸后坍缩形成的黑洞质量上限为65倍太阳质量 。 当恒星质量达到太阳的130~250倍时 ， 能产生一个真正意义上的极为特殊的超新星类型 ， 即不稳定对超新星 ， 大量的高能光子（伽马射线）碰撞产生自由电子和正电子 ， 大大削弱了核心热压力 ， 坍缩造成核心极度压缩 ， 在仅仅以秒计算的时间内 ， 偌大的恒星内核完全燃烧 ， 发生剧烈的热核爆炸 ， 趁引力势能尚未控制局面的时候 ， 热能已经得到完全释放 ， 恒星被完全摧毁 ， 甚至都不会产生黑洞 。 当恒星质量超过250倍太阳质量时 ， 晚年恒星核心产生一种所谓光致蜕变的机制 ， 极端高能的伽马射线和原子核作用 ， 使原子核进入受激态 ， 铁原子核被无情击碎 ， 蜕变成氦原子核和中子 ， 甚至随着温度上升氦原子核也会被高能伽马射线击碎蜕变 。 这是一个与核聚变完全相反的过程 ， 其结果是恒星在短到只有零点几秒内就被瓦解 ， 核心直接形成黑洞 ， 恒星的外围质量则成为吸积盘或超新星 。 这样的黑洞质量至少有130倍太阳质量 。
于是 ， 问题来了 ， 产生GW190521引力波事件的两个主角黑洞 ， 质量可能都超过了太阳的65倍 ， 它们是如何形成的呢？我们的选择有两个 ， 一是由巨大质量的恒星坍缩形成 ， 但势必要对当前理论进行适当修改 。 二 ， 这两个黑洞都分别来自更小质量的恒星级黑洞的并合 ， 也就是说 ， 它俩可能是“黑二代” ， 它俩并合后的中等质量黑洞就是“黑三代” 。 这一解释无需修改理论 ， 同时也符合黑洞分级并合的猜测 ， 黑洞会像贪吃蛇一样越吃越大 ， 那些超大质量黑洞不必“一口吃成个胖子” 。 这一猜测可能性更大些 ， 因为研究人员测量了此次引力波中两个黑洞的自旋情况 ， 它们的自转轴并不平行 ， 造成它们旋近轨道并不稳定 ， 这暗示着它们并不是一对双星 ， 可能有着更为复杂的过往历史 。
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GW190521引力波事件中并合的两个黑洞自转轴并不完全一致 。 这副艺术画中背景描绘了一个星团 ， 表示两个黑洞可能处在一个相对致密的星团中 。 （来源：Raúl Rubio/Virgo Valencia Group/The Virgo Collaboration）
GW190521引力波信号持续时间仅0.1秒 ， 信号峰值处频率为60Hz 。 如果把引力波信号转换成声音 ， 前几次引力波事件中的黑洞并合犹如鸟鸣般的“啁啾” ， 那么这次好比“砰”的一声闷雷 。 信号则足够强劲 ， 研究人员推测足有等同于8倍太阳质量的能量转化成了引力波 ， 向整个宇宙荡漾开去 。 模型推测 ， 这个引力波来自于5.3Gpc（吉秒差距 ） ， 相当于70亿光年外的一个星系 ， 不过我们并不能确定到底是哪一个星系 。 至于这种中等质量黑洞是不是处在形成超大质量黑洞的中间过程 ， 或者说它位于某个星系的某个致密星团中 ， 那里正在演绎大质量恒星的蜕变 ， 我们不得而知 。 我们只知道 ， 这次交上了好运 ， 根据目前的认知 ， 类似事件发生的频率并不高 ， 你可以这样理解 ， 在一个长宽高约32.6亿光年的宇宙立方体中 ， 产生类似引力波信号的概率为每年0.13次（0.13 Gpc-3yr-1） 。
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GW190521是迄今探测到最大质量黑洞并合事件（来源：D. Ferguson, K. Jani, D. Shoemaker, P. Laguna, Georgia Tech, MAYA Collaboration）
一次引力波事件一下子挑战了两个黑洞“无人区”！这会让人无比兴奋的 。 现在LIGO/Virgo已经常态化运行 ， 发现了越来越多的引力波事件 ， 我们对黑洞的认识也越来越多 ， 样本也越来越多 ， 这会让我们一步步接近答案 ， 揭开中等质量黑洞和超大质量黑洞的身世之谜 。
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